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1、FRP约束混凝土力学性能,研究进展 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life, there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望主要内容FRP的简单介绍FRP的力学性能CFRP补强加固混凝土梁FRP的工程应用FRP的研究进展FRP的简单介绍的简单介绍FRP : Fiber Reinforce Polymer纤维复合材料纤维增强复合材料(FRP, Fiber Reinforced Polymer)被誉为继混凝土材料之后的又一种重要结构材料,尤其在结构加固技术方面具有轻质高强、施工便捷、维护方便、耐久性好等优点
2、,已成为桥梁工程、房屋建筑等加固改造的研究和应用的热点之一。混凝土柱修复加固常用的FRP材料用于结构修复加固的增强纤维主要有碳纤维(CFRP)、玻璃纤维(GFRP)、芳纶纤维(AFRP)和高弹模碳纤维(HFRP)。芳纶纤维是一种人造合成有机纤维，由芬芳聚酰按单向排列而成。芳纶纤维有三种：Kevlar纤维（美国杜邦公司）、Twaron纤维（荷兰特瓦龙公司）、Technora纤维（日本帝人公司）。芳纶纤维分为高强和高弹性模量两种。突出优点是具有较好的韧性，主要缺点是抗压强度较低，大约为其抗压强度的1/8。此外，对紫外线和湿气较敏感。玻璃纤维分为无碱玻璃纤维（E-玻璃）、中碱玻璃纤维（C-玻璃）、高
3、碱玻璃纤维（A-玻璃）、高强度玻璃纤维（S-玻璃）及高弹性模量玻璃纤维（M-玻璃）等。E-玻璃纤维和S-玻璃纤维是土木工程中常用的玻璃纤维。玻璃纤维的主要优点是价格便宜，突出缺点是弹性模量相对较低、不耐碱，长期受力情况下易于断裂。近年来通过增加氧化铝的含量来生产一种耐碱型的玻璃纤维AR纤维。碳纤维有聚丙烯腈（PAN）基、粘胶基及沥青（Pitch）基三种碳纤维，目前用的最多的是PAN基碳纤维。此外，按碳纤维力学性能可分为高强度和高弹性模量的碳纤维。碳纤维丝束是由大量连续、没有缠绕的纤维丝组成。碳纤维的结构完全不同于石墨的六面体结构。通常说的石墨纤维代表纤维含碳量在99%以上，而碳纤维则在80%9
4、5%。碳纤维的缺点是各向异性，价格比较高。近年来，将碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维及环氧树脂按照一定的比例制成一种新结构的纤维混杂纤维，HFRP的弹性模量是钢的23倍,可有效提高混凝土构件的承载力和刚度,应用较为广泛,但其断裂延伸率较低,加固的混凝土构件破坏具有一定的脆性。FRP中常用的树脂是环氧树脂EP、乙烯脂VE、聚脂UP，密度一般是1.11.4g/cm3。树脂的主要作用是将纤维粘结在一起填充纤维间的缝隙，传递纤维间的力，防止在压力作用下纤维屈曲，同时还可以保护纤维。树脂一个重要的力学性能指标是树脂的延伸率。树脂的主要力学性能树脂的主要力学性能选择树脂时，树脂的延伸率要大于纤维的延伸率，这样才
5、能保证纤维断裂前树脂不发生破坏。FRP的品种的品种FRP布：粗纤维按照一定的方向编制而成的纤维布，没有经过树脂浸渍的布通常称为“干布”。根据编织方式：平纹布、斜纹布、光面布。方向性：单向纤维布、双向纤维布、多向纤维布。还可分为机织布、非机织布。FRP板材：将树脂、纤维丝按照一定的比例通过高温固化挤压而形成的，包括FRP板、FRP板条。宽度相对宽的就是FRP板，宽度相对较小的称为FRP板条。FRP板材可以应用在梁的抗弯加固及抗剪加固中，在抗剪加固中还可以使用“L”形FRP条带。FRP型材：将纤维及树脂按照一定比例采用拉挤或缠绕工艺而制成的。FRP型材按照截面形式可以分为工字形、L形、槽型、圆形及
6、矩形。FRP棒材：可以分为FRP筋和FRP格栅。FRP筋按其外形可以分为带肋钢筋、表面磨砂筋及缠绕磨砂筋3种类型。 FRP筋是将多股连续纤维以环氧树脂等作为基底材料进行咬合，此后经过特制的模具挤压、拉拔成型。FRP格栅式FRP筋按照一定的方向组合而成的增强材料，有三维空间结构和二维平面结构两种。FRP格栅用于混凝土构件中作为抗弯、抗剪的增强材料，也可用于混凝土构件的体外加固材料。FRP短纤维：由纤维长丝短切而成，其基本性能主要取决于原料纤维长丝的性能。较长丝而言，短纤维具有分散局黁、喂料方式多样、工艺简单的有点，所以可以应用于长丝所不能适合的领域。将FRP短纤维加入混凝土或砂浆中可以有效地防止
7、由于混凝土（砂浆）固塑性收缩、干缩、温度等因素引起的微裂缝，抑制裂缝的开展，大大改善混凝土的抗裂、抗渗性能、抗冲击及抗震能力，可以广泛地应用于地下工程、工业与民用建筑工程、道路及桥梁工程中。将长度为25cm的短纤维通过化学粘结和机械作用可以制成一种薄片材料FRP毡垫，毡垫通常宽5cm2m，宽度大约是0.5kg/m2。从混凝土浇筑和FRP材料粘贴的时间顺序看,FRP材料对核心混凝土的约束方式主要有两种:一种用FRP布或FRP条带缠绕在既有混凝土柱表面;另一种以混凝土填充FRP布预制管以FRP布或条带缠绕在既有混凝土柱表面是一种良好的修复加固方法,可以提高既有混凝土柱的承载力、延性和能量耗散能力。
8、可是,现场缠绕的FRP的粘贴层可能存在以下不足:1)粘结剂涂刷不均匀;2)粘结剂不饱满,粘贴层内有气泡;3)缠绕不规则,纤维错列;4)碾压不连续匀称,有皱褶;5)局部纤维破损;6)未按材料要求养护等。这些都会降低FRP粘贴层的工程性能。与此同时,核心混凝土通过粘贴界面向粘贴层传递一部分轴向应力,FRP处于环向拉伸和纵向受压的双向应力状态,断裂应变减小。荷载偏心和应力集中也会导致FRP粘贴层过早破坏,断裂应力远小于材料的极限拉伸强度。FRP的力学性能的力学性能物理性能物理性能FRP的密度范围是1.252.1g/cm3，是钢筋密度的1/61/4，密度低可以减轻FRP的重量，使其易于运输，便于在施工
9、现场安装。纤维种类、纤维含量和树脂种类是影响FRP线膨胀系数的主要因素。FRP的纵向线膨胀系数和横向线膨胀系数有所不同，纵向线膨胀系数主要受FRP纤维性能的影响，而横向线膨胀系数主要受树脂性能的影响。关于FRP 的耐高温性能，美国FRP加固混凝土结构设计指南FRP筋混凝土结构设计指南中建议不宜将FRP使用在高温结构中。火灾发生时，FRP筋埋在混凝土中，因此不能燃烧。但是在高温状态下，暴露在外面的FRP将软化。FRP软化的温度称为“格拉斯转变温度Tg”,主要取决于树脂的种类，通常是在65120。当温度超过Tg后，由于分子结构的改变，FRP的弹性模量将大大降低。试验结构表明，温度在250 时，GF
10、RP、CFRP的强度损失超过20%，抗剪强度和抗弯强度也将大大降低。对于FRP筋混凝土结构，FRP筋与混凝土之间的粘结是通过表面的化合物来保持的。当温度接近Tg时，表面化合物的力学性能将大大降低，不再传递FRP 筋与混凝土之间的粘接力。试验结果表明，当温度为Tg时，拉拔粘结强度降低了20%40%；温度为200 时，拉拔粘结强度降低了80%90%。Okamoto等在1993年的试验结果表明，在持载作用下，温度分别达200 、300 时，AFRP筋、CFRP筋混凝土梁发生了破坏。Sakashita等在1997年的试验结果表明，当温度为250300 ，FRP筋混凝土梁发生破坏。基本力学性能基本力学性
11、能FRP是一种各向异性材料，与纤维主要受力方向平行（轴向）是FRP的主要方向。影响FRP力学性能的主要因素是FRP的体积率、树脂、纤维方向、尺寸效应、质量控制及制造过程等。FRP的基本力学性能指标包括抗拉强度、抗压强度及粘结性能。抗拉强度抗拉强度在FRP中，纤维承受荷载并提供材料的刚度，树脂主要起到传递纤维间力和保护纤维的作用。图示给出纤维、树脂及FRP的应力-应变关系曲线。可看出，FRP的轴向拉伸力学性能表现为线弹性关系，主要因为组成FRP的纤维为线弹性材料。FRP的极限强度要低于纤维极限强度。FRP和纤维的极限拉应变均小于树脂的极限拉应变，这样可避免纤维断裂前树脂发生破坏。FRP的拉伸试验
12、的拉伸试验 试验结果表明，FRP的拉伸破坏模式有纤维断裂、树脂开裂、部分界面粘结破坏、纤维与树脂发生剥离在各种应力水平下，AFRP和GFRP的破坏模式基本相同，均表现为纤维断裂，而CFRP的破坏模式表现为上述几种破坏模式。 纤维的体积率影响FRP的抗拉强度和弹件模量，对于单向FRP，其抗拉强度及刚度可参照下式计算：对于在施工现场采用干铺体系的施工方法，树脂的使用量、纤维的体积率是不确定的，按照上述两式计算FRP的弹性模量和抗抗强度将造成一定的误差，最好的方法是对FRP进行单向拉伸试验，确定义抗拉强度平均值。抗压强度抗压强度 FRP的受压破坏模式有横向受拉破坏、纤维微屈曲破坏及受剪破坏，影响受压
13、破坏模式的主要因祟是纤维种类、纤维含量及树脂种类。FRP的抗压强度相对于其抗拉强度要低。GFRP、CFRP、AFRP的抗压强度分别是其抗拉强度的55、78、20。通常情况下，FRP的抗压强度随着FRP的抗拉强度增加而增大。 FRP的抗压弹性模量比其抗拉弹性模量要小，原因是内部纤维的微屈曲。GFRP、CFRP、AFBP的抗压弹性模量分别是其抗拉弹性模量的80、85、100。粘结性能粘结性能 无论将FRP应用在新建结构还是作为补强加固材料，FRP与混凝土之间的粘结无疑是非常重要的一个方面，粘结性能直接影响结构的使用性能和承载能力。影响粘结性能的主要因素有FRP形式、材料性能、几何尺寸及FRP表面形
14、状等。FRP筋与混凝土的粘结主要由三部分组成：1.FRP筋与混凝土的表面粘结力、即化学粘结力2.FRP筋与混凝土接触面上的摩擦力：3.FRP筋表而不平产生的机械咬合力。长期性能长期性能徐变断裂: 在持续不变的荷载作用下经历一段时日(耐久时间)，FRP突然断裂的现象称为FRP的徐变断裂。相对来说，钢筋不存在徐变断裂的现象，除了钢筋在较高的温度环境下，如火灾作用下。随着持续荷载作用时间的增加，FRP的耐久时间逐渐减少。在恶劣环境下(高温、紫外线辐射、高碱、干湿循环、冻融循环等)，耐久时间也相对有所减少。在FRP中，CFRP不易发生徐变断裂，而GFRP最易发生徐变断裂。疲劳性能: FRP不易发生疲劳
15、破坏，且不易受外界环境的影响，除非是纤维与树脂界面之间的粘结作用在外界环境下发生退化。已有的试验结果表明，每十年的对数时间，CFRP、GFRP、AFRP相对于其静力强度值分别降低了58、10%、56。经过200万次的疲劳循环后，CFRP、AFRP的剩余强度分别为其静力强度的5070、5473： 影响疲劳寿命的主要因素有荷载频率、平均应力、应力比和外界环境等。试验结果表明，疲劳寿命与荷载频率成反比。频率越高，纤维与纤维之间的摩擦越大，温度越高，疲劳寿命降低。例如频率是1Hz的荷载，疲劳寿命是频率为5Hz的荷载的十倍。平均应力和应力比也会影响FRP的疲劳寿命。试验结果表明，平均应力较高或应力比较低
16、将减少FRP的疲劳寿命。耐久性能耐久性能 耐久性能是FRP长期性能的个重要方面，对FRP耐久性能的研究主要是通过室内加速试验来推断FRP的长期性能：试验结果表明，CFRP表现出良好的耐久性能；GFRP的耐碱性能比较差，而耐酸性能和冻融循环性能比较好；AFRP除了疲劳性能、紫外线辐射及耐酸性能较差外，其余环境条件下的耐久性能比较好。 由于树脂的存在FRP的耐久性能要优于纤维的耐久性能。将碳纤维、芳纶纤维和玻璃纤维浸泡在温度为40的NaoH溶液中，120d后剩余强度分别为原强度的95、92、15，而将FRP筋浸泡在同样的NaOH溶液中，120d后剩余强度分别为原强度的100、98、29。抗腐蚀性能
17、抗腐蚀性能各种FRP筋均具有非常良好的抗腐蚀性能,适合在强腐蚀环境中工作。结构耐久性能好,后期维修成本低。长期处于酸、碱、盐及潮湿、紫外线等环境中的性能很少降低,因此适合在恶劣环境中使用。对于水利工程、桥梁、码头等潮湿环境或其它侵蚀性环境中工作的结构构件, FRP筋非常适合于用作为钢筋的替代材料,还是对结构构件进行加固处理良好材料。FRP缺点缺点1.光面FRP筋粘结强度差 光面FRP筋与混凝土之间的粘结强度极低,因此除无粘结FRP筋预应力混凝土外,必须采用螺纹FRP筋。2. 抗剪强度较低 一般FRP筋的抗剪强度仅有5060MPa,不超过抗拉强度的10%,可以很容易地被剪断。故在进行FRP筋材料
18、试验以及将FRP筋作为预应力筋时,需研制专门的锚、夹具。3. 弹性模量较低 这样,在配有FRP筋的混凝土结构中,如不施加预应力,挠度较大和裂缝开展较宽将是不可避免的。4. 热稳定性较差 一般来说, FRP筋的弯曲强度在超过一定温度后将明显下降,因此在一些特殊的建筑中需专门考虑温度对FRP筋强度的影响。但对于一般土木工程中的基础、挡土墙、灌注桩、地面、楼板、路面和人行道等混凝土结构,因环境温度不高且变化也较小,使用FRP筋不会受到明显影响。5. 不便现场加工 FRP筋虽可制成任意形状,如直线形、直线带90弯钩或矩形箍筋等。但由于在生产FRP筋时,均采用热固性树脂制作,因而一旦成形后,一般在施工现
19、场将难以改变其形状(目前正在研究采用热塑性树脂制作FRP筋,以克服这一缺点。)6.成本较高 生产制作工艺较复杂,一般需专门的长线挤拉台座才能完成。单位质量的FRP筋的价格约为钢筋的812倍不过FRP筋的密度大约是钢筋的1/4,这样,单位体积价格约为钢筋的23倍。当然,随着FRP筋制作工艺的改进和FRP材料的大批量生产,其价格也将会随之降低。碳纤维布补强加固钢筋碳纤维布补强加固钢筋混凝土梁混凝土梁一、试验研究（一）试验梁为矩形截面简支梁，分为两组，截团尺寸均为bh100 mm200mm，跨度l=2200mm，净跨 =2000 mm。I组梁：纵筋为2 8 ，设计配筋率为059，箍筋为 6100(仅
20、在剪跨区内配箍)，架立筋为 2 4 ；II组梁；纵筋为2 10，设计配筋率为092，剪跨区及纯弯段内箍筋分别为为 6100和 6200，架立筋为 。 试验之前，将试件的混凝土表面进行打磨、平整，去抹12mm的表面疏松层，并将浮灰清除干净。在正式粘贴碳纤维布前，用丙酮擦洗混凝土表面去脂。随后，在棍凝土表面涂抹层均匀饱满的粘接剂，将己裁剪好的碳纤维布粘贴上去，并沿碳纤维受力方向按压赶出气泡，以使碳纤维布与混凝土表面紧密粘结。当碳纤维布粘贴层数多于一层时，重复上述过程。最后，在碳纤维布表面再涂抹上一层粘接剂，上覆塑料薄膜，并用木模板压紧碳纤维布，一周后待粘结剂完全固化，方可拆模进行试验。试验梁的编号
21、及补强加固情况见表4-1和图4-2，有关尺寸及配筋图见图42。 混凝土设计强度等级为C20，钢筋为I级别。钢筋与混凝土的实测力学性能指标如表4-2所列。 补强加固材料采用6K碳纤维布，其主要性能指标见表4-3。根据材性试验发现，碳纤维布直至破坏，其应力、应变始终保持很好的线性关系。因而合分析计算巾，碳纤维布按线弹性考虑。碳纤维布与混凝之间的粘接剂采用环氧类建筑结构胶，其性能指标如表4-4所示。（二）加荷方案及试验测量内容 图4-3为本次试验的装置示意图。加荷方式为两点加荷加载点为试验梁的四分点，由分配梁来实现两点加载。加载方案采用分级加荷的方式，在接近纵筋屈服应变时，适当增加荷载级别以确定屈服
22、荷载。根据研究目的，个试验过程中重点量测包括梁跨中截面的平均应变、弯曲裂缝的形态及发展、受拉纵筋及碳纤维的应变、荷载转角关系曲线及跨中挠度随荷载的受化。（三）试验结果及分析 1.沿梁高的平均应变 图4-4为手持式应变仪测得的截面应变沿梁高的分布。在试验过程中发现，碳纤维布与梁底混凝土未出现分离现象，碳纤维布的实测应变与梁底截面的平均应变基本相同。从图4-4中可以看出，与普通钢筋混凝土梁一样，碳纤维布加固后的梁，在一定标距范围内，其平均应变的分布可以认为符合平截面假定。因而，在分析和汁算过程中，可以把平截面假定作为一个基本假定。2.受弯承载力和截面延性 表4-5列出了主要的试验结果，图4-5为I
23、组试验梁受弯承载力比较图。由表4-5和图4-5可以看出，粘贴碳纤维布后，试验梁的屈服荷载和极限荷载均有所增长，其中极限荷载的增长更为显著，如粘贴一层碳纤维布的梁BMI-2的屈服荷载和极限荷戴分别比BMI-l提高208和339%，而粘贴五层碳纤维布的BMI-6则分别提高了811和1194。可见，采取补强加固措施后，梁受弯承载力的增长幅度是随碳纤维布粘贴面积的增加的增大的，但这种增幅并非没有限制。在试验中发现，粘贴五层碳纤维布的梁BMI-6在破坏时，已开始出现一些类似超筋梁的特征，如破坏较突然，相对受压区高度接近界线受压区高度等。因而在结构设计与应用中，布能笼统地认为碳纤维布用得越多越好。 梁受弯
24、承载力的增长也并非与碳纤维布使用面积的增加呈正比。当碳纤维布粘贴层数较少时，增长幅度大度；随着碳纤维布层数的增加，各层碳纤维并不能完全地共同工作，部分碳纤维的强度没有完全发挥出来。另外，碳纤维布用量的增多，还将改变构件的破坏形态。如贴层布的梁BMI-2的破坏始于碳纤维被拉断，而贴五层布的BMI-6则因受压区混凝土被压碎导致构件的最终破坏。 试验还发现，不同宽度的碳纤维布，即使用量相同，对于试验梁受弯承载力的影响也是不同的，通常碳纤维布宽度较小时使梁受弯承载力提高较大，如BMI-3与BMI-2的碳纤维用量相同，前者布宽5cm，用者为10cm。结果BMI-2的屈服荷载和极限荷载分别比BMI-1提而
25、208和33.9，而BMI-3则分别提尚24.5和387。我们认为其原因是分条后有利于碳纤维布中的各纤维束更好地共同工作，因而碳纤维布分条后的使用效率要优于整条碳纤维布。从表4-5中还可以看出，碳纤维布的使用降低了构件的截面延性，因此碳纤维布用于钢筋混凝土梁的补强加固时，应根据具体的工程的不同要求合理使用。图4-6为各试验梁弯矩-曲率曲线的对比图3.挠度 图4-7为各试验梁在加荷过程中跨中挠度变化的比较。由该图及试验数据分析发现：在加荷初期，各试验梁的挠度相差不多；受拉区混凝土开裂后，尤其纵筋屈服后，未加固试验梁的挠度急剧增长，而经加固后的梁挠度增氏缓慢。在相问荷载作用下，加固梁的挠度均小于未
26、加固梁的挠度， 且这种差异随着荷载的增加而加大。破坏时，粱BMI-1的挠度达到40 mm，而加固梁的挠度一般在2535mm之间由此可见，碳纤维布的使用，可以在一定程度上提高构件的抗弯刚度。4.裂缝开展情况 在试验过程中，所有的梁均在纯弯段内出现明显的弯曲裂缝。相对于未加固梁BMI-1，补强加固梁的裂缝出现较晚，且发展缓慢。试验中还对正常使用阶段时加固梁的裂缝开展情况做了观测，发现试验梁经碳纤维布加固后，裂缝数量多，裂缝宽度小，且间距远小于未加固梁。表4-6列出了各梁在跨中挠度与跨度之比在1/250左右时开裂情况的实测数据。5.碳纤维及钢筋应变 试验过程中，碳纤维与钢筋应变在加荷初期很小，受拉区
27、混凝土开裂前仅有200，而且碳纤维的应变略大于受拉纵筋的应变，这符合平截面假定，说明碳纤维与混凝土表面之间并没有发生滑移。试验梁开裂后，尤其是纵筋屈服后，两者的应变开始急剧增加。随着施加荷载的不断加大，碳纤维应变的发展速度开始逐渐大于钢筋应变的发展速度，碳纤维和纵筋之间开始存在应变差。这种差异在纵筋屈服时为500左右，在此之后差异越来越大，直至临近梁破坏时的1000-2000 。碳纤维的应变在破坏前可记录到80009000。图4-8为钢筋与碳纤维应变发展的比较图。 加固试验梁与未加固试验梁中，钢筋应变发展的对比情况如图4-9所示。从图中可以看出，碳纤维布的存在，使得钢筋的应变发展滞后于未加固梁
28、BMI-1中干净的应变发展。这种应变滞后在加荷初期并不明显，当荷载较大时，这种现象将更加显著。荷载为19KN时，加固梁的纵筋应变最多可比BMI-1中的纵筋减小45%；荷载为20KN时，加固梁MBI-6中纵筋应变为600，未加固梁BMI-1中纵筋应变为1258，碳纤维布的使用使得纵筋应变减小了52%。（四）结论 (1)碳纤维布补强加固钢筋混凝土梁时，截面的平均应变，仍然符合平截面假定。在计算分析中，可以将其作为一个基本假定。 (2)试验研究证实，使用碳纤维布来提高钢筋混凝土受弯构件承载力的补强加固方法是有效的。粘贴碳纤维布后，试验梁的受弯承载力明显提高，其中极限受弯承载力的提高更为显著。 (3)
29、碳纤维布的应用中存在使用效率的问题。试验研究发现，同样的碳纤维布用量，分条粘贴的加固效果略好于整条粘贴。 (4)构件受弯承载力随碳纤维布用量的增加而提高，当碳纤维布使用层数较少时提高幅度相对较大；随着碳纤维布层数的增多，由于使用效率的影响，这种提高幅度相应减小。 (5)碳纤维布的用量还将影响受弯构件的破坏形态。当碳纤维布用量过多时，构件破坏将由碳纤维被拉断引起的破坏转变为混凝土被压碎的破坏。同时，由于碳纤维为完全弹性材料，它与钢筋的共同工作会减弱钢筋塑性变形对提高构件延性的作用，碳纤维布用量过多时，构件延性有所降低。 (6)粘贴碳纤维布的试验梁的挠度小于未加固的梁，这说明碳纤维布的使用，增加了
30、构件的抗弯刚度。FRP的工程应用的工程应用碳纤维布加固技术在砌碳纤维布加固技术在砌体结构中的应用体结构中的应用 在我国，砖砌体结构得到广泛的应用，我国住宅建筑大多采用砖砌体承重结构体系。虽然目前对承重墙休材料近行改革，逐步减少砖混结构住宅，但这种成熟的化宅结构形式仍将存在相当长的时期。长期以来，由于多种原因造成砖砌体结构出现不同类型的工程问题，砖房温度裂缝就是其中非常典型的种。由于设计、施工人员对砖砌体建筑温度裂缝问题认识不足，重视不够，使温度裂缝问题成为砖混结构住宅使用过程中的通病。随着近几年房地产业的迅速发展及住宅制度的改革，住宅建筑的产权私有化，住宅质量将直接犬系到干家万户能否拥有一个安
31、定的环境。温度裂缝虽属稳定裂缝，般情况下不危及结构的安全，但它引起的墙面渗水等问题仍给居民造成了不必要的心理负担。严重的温度裂缝破坏了墙体的完整性，削弱整体结构的抗震能力。随着大气环境温度的逐年升高，居民使用空调制冷，使室内温度降低，从而导致夏季室内外温差加大，砖砌体住宅建筑更容易出现温度裂缝。 通过对国内外砖肩的温度裂缝资料研究分析及天津等地几十项上程实例的调查，砖房温度裂缝产生有其规律性。温度裂缝主要发生在钢筋混凝土平屋盖的砖混住宅建筑中，裂缝的形式有正八字裂缝、斜裂缝、水平裂缝和垂直裂缝等等。多年来，尽管设计及施工人员采取了一定的措施，但温度裂缝仍频繁出现。究其原因，温度裂缝的产生主要是
32、砖砌体与钢筋混凝土楼板存在初始温差，而阳光直接辐射会造成更大的温差。对于砖砌体结构温度裂缝的防治应从设计、施工和质量监督三个方面入手，采取有效的措施，预防及减少温度裂缝的出现。当砖房由于温度应力导致墙体的开裂后，要观察一个热膨胀冷缩周期，待裂缝稳定后，应及时采取妥当的技术措施进行修复。AFRP加固修补技术可广泛应用于各种结构类型(如建筑物、构筑物、桥梁、隧道、涵洞、烟囱等)，各种结构形状(如矩形、圆形、曲面结构等)，各种结构部件(如梁、柱、板、供、壳、墩等)的加固修补，而且不改变结构形状，不影响结构的外观。尤其重要的是，对于一些大型的土木工程结构，加大型桥梁的桥墩、桥梁及桥面板、隧道、大型筒体
33、及壳体结构等，采用原有的传统加固方法几乎无法实施，而采用该技术都可以很顺利地解决。下图为国内外应用外贴AFRP布对桥梁、道路、隧道、建筑物或构筑物等多种混凝上结构构件进行补强加固的工程实例。FRP在桥梁工程中的加固在桥梁工程中的加固应用应用 通常来说，桥梁结构所处的环境比较恶劣，恶劣的环境(潮湿、冻触、盐腐蚀等)将加剧结构构件的损伤如钢筋锈蚀、混凝土保护层剥落等。已建桥梁经过多年的运营出于混凝土的开裂，混凝土构件的承载能力均有不同程度的下降，不能满足现代交通的需求。毫无疑问采用FRP加固损伤的桥梁结构足一个行之有效的加固方法，FRP固桥梁结构般可以分为混凝土梁的弯剪加固和混凝土墩柱的加固。混凝
34、土受弯构件的弯剪加固弯剪加固方法1.现浇梁混凝土T梁 现浇混凝土T梁受弯加固的方法一般是在梁的受拉底缘粘贴FRP条带进行加固。需要指出的是，加固时需注意FRP条带端部的锚固。如果是等截面T梁，可在FRP条带端部粘贴U形箍锚固；如果是变截面T梁除了在FRP条带端部处锚固外，在变截面处还需要U形箍锚固。 下图为现浇混凝土T梁受剪加固的两种方法：一种是在侧面粘贴U形箍后再使用角钢在T梁腹板与翼缘板相交的角部使用螺栓锚固；另一种方法是FRP条带全包腹板。这是最有效的方法，但是需要中断交通，破坏T梁的上冀缘板。2.预制混凝土T梁 预制混凝土T梁的特点是梁肋的下部是“马蹄”。在支座处，由于剪力较大，腹板常
35、增宽至与“马蹄”同宽。受弯加固时，可采用多条FRP条带加固，同时在条带的端部设置U形箍筋。 受剪加固时可采用全包或者U形条带的加闹方式(图1014)。九论伞包还是U形条带均要有可靠的锚固措施，避免FRP条带剥离：图l014(a)中所示的全包加固方法，需要中断交通破坏上翼缘板，同时在“马蹄”与腹板相交的角部设置角钢、螺栓锚固。图1014(b)所示的U形布加固方法需在上翼缘板与腹板相交的角部、“马蹄”与腹板相交的角部设置角钢和螺栓锚固。3.多室箱梁的加固 多室箱梁的受弯加固方法与钢筋混凝土T梁加固的方法一致，在受拉翼缘粘贴FRP条带。当端部锚固采用U形箍时，需要破坏下翼缘板，多室箱梁的受弯加固方法
36、如图10.1.5所示。 多室箱梁的受剪加固也有两种方式：条带全包和侧面粘贴FRP式(图1016)。全包的加固方式不需要额外的锚固措施，但是需要破坏上、下冀缘板。侧面粘贴FRP布的加固方式需要在腹板与上、下翼缘板相交的角部设置角钢和螺栓锚固。FRP加固板式桥实例 G270桥位于Iron县32号公路上，该桥足板式钢筋混凝土桥，修建干1922年，桥长61m，宽549m，每天交通量为1600辆(图10111)，允许通过荷重为1691kN的卡车车速限值为2414km/h。1990年，G270桥更新了栏杆，增宽桥面至61m。 经过多年的使用，该桥左右半幅均出现不同程度的钢筋锈蚀及混凝土保护层剥落(图101
37、12)。为了确保该桥的承载力，密苏里州交通部决定使用CFRP布进行加固。在加固之前，进行厂窒内全尺寸模型的静载及疲劳荷载试验，加固之后，对实桥进行了荷载试验。该桥在1988年5月进行加固，图l0113为加固的施工情况。FRP加固钢筋混凝土墩柱应用实例图1021为Spoleto市附近的上承式钢筋混凝土拱桥，修建于第二次世界大战期间支撑桥面的立柱由于钢筋的锈蚀，混凝十保护层已经剥落(图1022)，立柱为矩形截面，截面尺寸为400mm*400mm，柱高1.65m范围内有不同程度的损伤。 将钢筋以凝土立柱表面的混凝土消理干净后，使用无收缩水泥浆填补有缺陷的地方然后在立柱的众面粘贴一层CFRP布。CFR
38、P布粘贴方向与柱纵向垂直，起到约束混凝土的作用，加固完的立往如图1023所示。 图1024为瑞典Sundsvall附近的一座连续梁桥，修建于1937年其中18根钢筋混凝土墩柱出现不同程度的混凝土剥落、露筋、钢筋锈蚀现象(图1024)。计算分析结果表明，配置的受剪箍筋明显不足。经过论证、决定使用CFRP布进行加固。 粘贴CFRP布之前，将剥落的混凝土清理十净然后使用水泥浆修补墩柱缺损的地方，将修补后的墩柱表面清理干净，涂抹浸渍树脂、底胶，粘贴CFRP布，最后涂抹一层防护材料。图102.5为混凝土墩柱施工情况，图1026为修补充上情况。FRP在结构加固中的研究在结构加固中的研究现状现状1.抗弯加固
39、性能 在混凝土结构的受拉区粘贴 FRP， 可有效提高其承载能力，抑制裂缝扩展。 FRP 加固后混凝土结构的破坏特征与普混凝土结构以及黏钢加固的混凝土结构有较大的区别，其承载力的计算方法也不相同。 国内外学者的研究主要集中在 FRP加固混凝土梁的抗弯性能、破坏形态、承载力计算、影响参数以及 FRP 加固后混凝土梁的截面变形、裂缝开展等方面。 近几年来， 不少学者对负载状态下 FRP 加固梁展开了受力性能试验研究和理论分析，试图建立考虑二次受力的抗弯承载力计算方法、滞后应变及跨中挠度的计算公式。2. 抗剪加固性能在混凝土梁的受剪区侧面粘贴 FRP 能有效提高其抗剪能力，工程中常用的受剪加固方法有侧
40、面粘贴、U 型粘贴和包裹粘贴 3 种方式，其中以包裹粘贴效果最好 影响 FRP 抗剪加固性能的主要参数有梁的配箍率、 混凝土强度、FRP 配筋率、梁的剪跨比、FRP 的粘贴方式与锚固性能、FRP 及黏结胶本身的材料性能等。 目前，国内外对抗剪加固的研究主要包括破坏机制和承载力的计算等方面，其中承载力计算的理论模型， 一般是在钢筋混凝土构件桁架理论模型的基础上，增加 FRP 对抗剪承载力贡献项。3. 抗震加固性能 通过外包 FRP 约束塑性铰区混凝土以提高混凝土的极限压应变，可提高构件延性，有利于结构的抗震加固。 目前国内外不少学者进行了外包 FRP 加固混凝土柱、梁柱节点乃至框架的抗震性能试验
41、研究、理论分析和工程应用研究，提出了相应的 FRP 约束混凝土应力-应变关系的计算模型。 研究表明，侧向约束模量和侧向约束强度是影响 FRP 约束混凝土结构延性特征和滞回耗能性能的两个重要参数 此外 ，Xiao 等在钢管混凝土和套管混凝土的研究基础上，首次提出了约束钢管混凝土的概念， 在这种新型钢管混凝土柱中，为增强结构的抗震性能，在可能出现塑性铰的部位设置了 FRP 横向附加约束。 附加套箍能有效地防止或延迟钢管混凝土柱中通长的钢管在塑性铰区域发生局部屈曲，提高了结构的承载性能与延性，从而改善抗震性能。4.抗疲劳加固性能 FRP 片材加固构件的疲劳分为弯曲疲劳和剪切疲劳 2种，根据荷载形式又
42、可分为常幅荷载和变幅荷载下的疲劳问题。 FRP 片材加固构件的疲劳强度，除了与原有混凝土结构的抗疲劳能力有关外，还与 FRP 加固部分的疲劳断裂能力以及 FRP 片材与混凝土界面的抗疲劳破坏能力有关。混凝土抗弯疲劳理论可以用来评价原有混凝土结构的抗疲劳能力，FRP 片材自身的抗疲劳能力可以通过材料力学实验解决 ，但关于 FRP 片材与混凝土的界面的抗疲劳破坏能力的研究积累甚少，目前仅有少量试验结果，这些研究表明 ，在重复 、移动荷载作用下，界面的黏结能力有下降的趋势。5.预应力技术 对于挠度过大的受弯构件或开裂严重的混凝土梁、 板，简单的 FRP 贴片加固法难以有效地增强其刚度，材料的作用得不
43、到充分利用。 采用预应力 FRP 加固技术可平衡加固梁的部分荷载，有效减少加固梁的挠度变形，延缓梁开裂，减少裂缝宽度，降低早期剥离破坏的可能性，提高梁的承载力。 目前，一些学者对 FRP 预应力加固技术在不同负载下的 FRP预应力张拉工艺、端部锚固措施、预应力损失及承载力计算、界面应力传递及抗疲劳性能等方面进行了一些试验研究和理论分析，并开始了工程实际应用。6.耐久性加固性能耐久性研究涉及 FRP 耐久性、FRP 与混凝土黏结耐久性、FRP 筋、布、板、管加固混凝土构件耐久性的研究等。1） FRP 耐久性对 FRP 在不同温度、湿度、酸碱环境下的性能研究表明，经过温度与湿度暴露后，CFRP 的
44、弹性模量、抗拉强度、极限应变没有降低；GFRP 在经过温度循环后，弹性模量和抗拉强度没有下降，但延性降低，有脆化的趋势 碱性介质对高强复合玻璃纤维材料的抗拉强度基本没有影响，而在酸性介质中存放短时间后，试件抗拉强度有所下降，但经过较长一段时间后强度又有所回升，两种腐蚀介质对 FRP 的拉伸弹性模量影响不大2） FRP 与混凝土黏结耐久性研究 FRP 与混凝土之间界面性能的试验方法有多种，如正拉黏结强度试验、剪切黏结强度试验、梁试验、修正梁试验， 试验方法不同对所得到的黏结强度有不同程度的影响。正拉和剪切黏结强度试验方法比较简单，被广泛采用。研究表明，酸对 FRP 与混凝土黏结界面的影响比碱严重
45、；采用FRP 加固受到冻融损伤的混凝土结构时 ，FRP 与混凝土的黏结强度会有所下降；FRP 加固混凝土结构在受到冻融循环影响时，FRP 与混凝土结构的黏结强度会降低； 在 FRP 与混凝土结构产生同样的相对滑移时，受到冻融循环影响的 FRP 与混凝土的黏结力比未经受冻融循环影响的 FRP 与混凝土的黏结力有较大幅度的下降。3） FRP 外部加固混凝土构件的耐久性国内外对 FRP 加固混凝土构件的耐久性能开展了多项内容的试验研究，研究参数包括构件类型（梁、柱）、FRP 类型（AFRP，CFRP，GFRP）、粘贴方式 （环向 、轴向 ）、环境类型 （ 室温、干湿、冻融）、树脂类型等。 研究表明
46、，在恶劣环境下CFRP 比 GFRP 性能好， 干湿作用下，CFRP 约束试件的强度与延性没有降低，刚度得到提高，而 GFRP 约束试件的强度与延性都降低了，刚度未受影响； 冻融循环作用下，CFRP 和GFRP 约束试件的强度与延性显著降低，刚度未受影响，与室温及干湿循环作用下试件相比，受冻融作用试件的破坏方式更具灾害性。 海水腐蚀后 ，普通钢筋混凝土梁 、柱与 CFRP加固钢筋混凝土梁、柱的承载力都降低，但 CFRP 加固混凝土梁的刚度几乎未受到任何影响。 冻融循环对 FRP 加固混凝土梁的受力性能有不利影响。7 .砌体结构加固性能国外大量文献研究了 FRP 片材加固混凝土砌块墙与砖墙的抗剪
47、性能、平面外与平面内抗弯性能、沿通缝的抗剪性能、单调荷载作用下的短期力学性能、低周往复荷载试验以及模拟地震荷载试验，并给出了 FRP 加固砌体结构 的 设 计 建 议； 对 采 用 FRP 缠 绕 加 固 砖 柱 的 力 学 性能、砖拱和穹顶的加固性能也进行了研究。试验结果表明，墙体的破坏形式由加固前的脆性剪切破坏变成了加固后延性弯曲破坏，极大提高墙体的变形能力、强度和延性，能有效减小剪切变形，改善结构整体的延性与抗震性能，提高砌体结构的承载力。 从国内研究现状看，大部分的内容集中在FRP 加固后的墙片在平面内水平低周反复荷载作用下的抗震性能研究上， 研究结果表明，FRP 加固能够明显提高墙体
48、的平面内水平抗剪强度，增强变形能力，改善结构的延性。8 .钢结构加固性能FRP 除了用于钢结构的防腐蚀、防老化及其他一般性的加固外，对钢结构建筑及钢制品等的加固方法革新也越来越成为人们所关心的问题。 目前研究重点主要围绕 RPP 对钢结构的失稳加固、界面黏结性能及荷载的传递效应、承载力计算方法以及加固后抗疲劳性能等方面开展。9 .其他加固性能面对以爆炸为主的恐怖主义以及人为灾害日趋严重的威胁， 结构抗爆逐渐成为研究的热点，FRP 由于其众多优越性，在结构抗爆中有广阔的应用前景。 已有的研究成果表明，FRP 用于抗爆加固可有效提高构件和结构的抗爆性能抗冲击以及抗人为灾害性能。 国内外一些学者对
49、FRP 加固火灾后混凝土结构、FRP 加固结构的抗扭性能、可靠性以及加固木结构、节点、隧道等特种结构均做了一些研究。展望在中国,FRP材料在土木工程领域的研究与应用只有10多年,起步稍晚,却发展迅猛,具有广阔的应用前景。随着国家经济的腾飞,尤其是交通事业的迅速发展,大量20世纪90年代之前建设的公路桥、铁路桥、隧道需要加固改造。相对传统的加固技术,FRP加固技术:强度高、耐疲劳、耐腐蚀,不破损原结构、不改变原截面,不受施工环境限制,不需要大型设备,与原结构协同工作程度高。尽管FRP材料的目前价格高于传统建材钢材和混凝土,但其使用劳动力少、设备运输和操作费用低、工期短,综合效益明显高于传统加固方法,技术的开发与应用必将带来良好的工程经济价值和社会效益。 为了FRP加固技术在中国稳健发展和推广应用,应做好以下工作。 (1)加强FRP材料的研发,不断提高国产化材料质量,降低工程成本;丰富FRP材料形式,扩大工程应用范围。加强粘结剂的研究,提高性能和降低成本的同时实现无害化。(2)加强施工技术和设备的开发研究,工艺更加程式化,设备更加机械化,逐步实现高效率低成本。(3)推进FRP加固技术的研究,尽快形成设计、试验、施工、验收各环节的规范及手册。不仅可以保证工程质量,更有利于规范市场秩序。
